Jednym z podstawowych czynników decydujących o prawidłowej pracy maszyny przemysłowej jest prawidłowa praca jej układu napędowego.

Mimo że zastosowane sprzęgło mechaniczne jest najmniejszym elementem układu napędowego, to w znaczący sposób potrafi wpłynąć na jego pracę, dlatego ważny jest właściwy wybór sprzęgła spośród całej gamy produktów oferowanych przez producentów [9-12]. Zarówno wielkość przenoszonego momentu obrotowego, jak i parametry sprężysto-tłumiące elementu podatnego powinny być dostosowane do warunków pracy maszyny przemysłowej (rys. 1) [5-8].
Sprzęgło mechaniczne podatne skrętnie oprócz podstawowych zadań, jakie powinno spełniać w układzie napędowym, tj.: przenosić moment obrotowy Mo[Nm], przenosić prędkość obrotową no[obr./min], kompensować niedokładności ustawienia czopów współpracujących wałów, powinno głównie mieć zdolności do tłumienia drgań skrętnych wynikających z nadwyżek dynamicznych, jakie kumulują się na elemencie podatnym tego sprzęgła (szczególnie w zakresach prędkości rezonansowych). Wszystkie te czynniki w znaczący sposób mogą wpłynąć na pracę całego układu napędowego i pozostałych zespołów maszyny przemysłowej. O parametrach tych decyduje zarówno materiał, z jakiego jest wykonany element podatny sprzęgła, jak i konstrukcja tego elementu [3, 4, 7, 8].
Dynamiczny rozwój techniki napędowej maszyn przemysłowych ciągle powoduje powstawanie nowych konstrukcji lub rozwiązań konstrukcyjnych zespołów napędowych maszyn przemysłowych [9-11]. Marketingowe wymagania długofalowej konkurencyjności zmuszają do minimalizacji stosunku nakładu pracy do efektów, co w przypadku producentów sprowadza się do zasady zadowalającej jakości przy minimalnych kosztach produkcji. Natomiast wybór rozwiązania konstrukcyjnego użytkownika przemysłowego następuje przez porównanie cech technicznych danej konstrukcji i kosztów ekonomicznych poszczególnych wariantów za pomocą narzuconych kryteriów (rys. 2) [1].
Użytkownik przemysłowy musi być w pełni świadomy skutków eksploatacyjnych maszyny przemysłowej i związanych z tym ekonomicznych konsekwencji podejmowanych decyzji co do zastosowania danego zespołu mechanicznego dla danej maszyny przemysłowej. W układach napędowych maszyn roboczych stosuje się różnego rodzaju sprzęgła mechaniczne podatne skrętnie, a ich wybór przez użytkownika i zastosowanie w układzie napędowym maszyny przemysłowej odbywają się głównie na podstawie wytycznych zamieszczonych na kartach katalogowych producentów, aktualnie produkowanych elementów układu napędowego tego rodzaju (rys. 3) [9-11].
Producenci elementów napędowych zamieszczają na swoich stronach katalogowych różnego rodzaju sprzęgła mechaniczne podatne skrętnie, różniące się rozwiązaniem konstrukcyjnym – od sprzęgieł jednowkładkowych przez oponowe, po przeponowe itp. (rys. 4, 5).
Każde sprzęgło mechaniczne podatne skrętnie charakteryzuje się odmiennymi cechami i możliwościami eksploatacyjnymi pomimo zbliżonej konstrukcji (rys. 4, 5).

Wpływ elementów podatnych na cechy eksploatacyjne sprzęgieł mechanicznych podatnych skrętnie

Z analizy ogólnych właściwości eksploatacyjnych sprzęgieł mechanicznych podatnych skrętnie wynika, że sprzęgła te przenoszą moment obrotowy przy możliwości niewielkiej niewspółosiowości łączonych wałów i stanowią zespół pozwalający skutecznie ograniczyć powstawanie drgań skrętnych wałów w zakresie prędkości obrotowych danego układu napędowego. Oznacza to, że właściwie dobrane sprzęgło mechaniczne podatne skrętnie może służyć jako prosty i niedrogi element skutecznego ograniczenia powstania drgań dynamicznych w danym układzie napędowym maszyny przemysłowej (rys. 6).
Przy zastosowaniu sprzęgła mechanicznego podatnego skrętnie należy zwrócić uwagę na podstawowe właściwości tego sprzęgła, czyli na parametr sztywności skrętnej i parametr tłumienia skrętnego, które są uzależnione od cech lepko-sprężystych materiału, z jakich wykonany jest ich łącznik podatny. Statystyczny użytkownik sądzi, że sprzęgła mechaniczne podatne skrętnie służą głównie do łączenia dwóch współpracujących wałów (np. jednostki napędowej z przekładnią i dalej z maszyną wykonawczą) w celu przeniesienia momentu obrotowego. Z teoretycznego punktu widzenia dobór optymalnych właściwości mechanicznych sprzęgła podatnego do dedykowanego układu napędowego powinien odbywać się nie tylko na podstawie przenoszonego momentu obrotowego (jak to ma miejsce w większości przypadków), ale również na podstawie właściwości lepko-sprężystych łącznika podatnego takiego sprzęgła [7, 8]. Właściwości te identyfikuje się głównie na podstawie zarejestrowanych w warunkach doświadczalnych charakterystyk obciążenia statycznego lub dynamicznego [4-6]. Bardzo ograniczony dostęp do tego rodzaju badań powoduje, że użytkownicy w momencie stosowania tego rodzaju sprzęgieł nie uwzględniają tych parametrów w momencie ich stosowania do danego układu napędowego [2, 3].
Charakterystyki sprzęgieł mechanicznych podatnych opisują moment obrotowy Mo[Nm] w funkcji kąta względnego skręcenia członów sprzęgła φ [o] wg zależności (1) (rys. 7) [4, 6-8]:


       (1)

Na podstawie takiej charakterystyki można wyznaczyć takie parametry jak współczynnik tłumienia ψ  (4) i współczynnik sztywności c (2):

             (2)

Wartości liczbowe tych parametrów mają szczególne znaczenie w czasie analizy dynamicznej układu napędowego maszyny przemysłowej ze sprzęgłem podatnym w układzie napędowym. Maksymalny moment obrotowy skupiający się na sprzęgle podatnym w układzie napędowym wynosi (3) (rys. 7):


      (3)

W rezultacie wielokrotnego obciążania i odciążania zmiennym momentem obrotowym Mo w elemencie podatnym sprzęgła powstaje pętla histerezy (rys. 8), na podstawie której (w warunkach laboratoryjnych) wyznaczany jest współczynnik tłumienia ψ (4) [4, 5, 7, 8].
Wszystkie straty wywołane tarciem wewnętrznym w łączniku podatnym są ujmowane przez ten współczynnik [4]. Przedstawia on energię rozproszoną przez łącznik podczas jednego okresu drgań Ar do maksymalnej energii potencjalnej As (4) (rys. 8) [7, 8]:

      (4)

gdzie: ψ – współczynnik tłumienia; Ar – energia rozproszenia podczas jednego okresu drgań; As – maksymalna energia potencjalna w łączniku podatnym.
Elastomerowe elementy podatne sprzęgieł podatnych skrętnie wykazują typowe własności lepko-sprężyste przy słabych własnościach wytrzymałościowych w stosunku do metalowych elementów sprzęgła mechanicznego. Dlatego udział ilościowy elementu podatnego w całym typoszeregu sprzęgła podatnego podyktowany jest objętością Q[cm3] i twardością [oSh] (rys. 9, 10). Na podstawie analizy objętości elementu podatnego zastosowanego do budowy sprzęgła stwierdzono, że każdy następny łącznik elastomerowy w typoszeregu sprzęgła ma objętość zwiększoną proporcjonalnie w stosunku do poprzedniego sprzęgła w katalogowym typoszeregu sprzęgieł [4].
Wielkość przenoszonego momentu obrotowego w typoszeregu poza objętością podyktowana jest również twardością danego łącznika podatnego. Wartość przenoszonego momentu obrotowego zależy nie tylko od objętości, ale również jego twardości. Można zauważyć, że przy tej samej objętości elementu podatnego o większej twardości przeniesie odpowiednio większą wartość momentu obrotowego Mo (rys. 9), ale będzie miał już inne własności sprężysto-tłumiące (rys. 10). Z otrzymanych charakterystyk wynika, że ulegają one zmianie w wyniku zmieniającej się objętości, jak i twardości elementu podatnego zastosowanego do jego budowy. Z analizy tych charakterystyk wynika również, że najsztywniejszą charakterystykę mają sprzęgła o największej objętości elementu podatnego, natomiast charakterystykę o dużej podatności mają sprzęgła z wkładką wykonaną z elastomeru o twardości 60oSh. Sprzęgła te mają dwukrotnie większą objętość elementu podatnego w stosunku do sprzęgła o elemencie podatnym o twardości 85oSh. Wzrost współczynnika sztywności następuje szybciej przez zwiększenie jego twardości niż w wyniku zwiększenia jego objętości. Na rys. 9 przedstawiono wpływ objętości i twardości elementu podatnego na wartość współczynnika sztywności cst[Nm/o].
Z przeprowadzonych dalszych analiz wynika również, że współczynnik tłumienia ψ zależy głównie od twardości łącznika zastosowanego do budowy sprzęgła podatnego skrętnie. Do sprzęgieł o najlepszych własnościach tłumiących, drgania skrętne w układzie napędowym, należą sprzęgła podatne z pierścieniem gumowym o twardości 65oSh na poziomie ψ = 1,4, natomiast sprzęgła podatne z elementem podatnym w postaci opony mają współczynnik tłumienia na poziomie ψ = 1,2 przy twardości 74 oSh (rys. 11).

Podsumowanie

Sprzęgła mechaniczne podatne skrętnie powinny głównie ograniczać nadwyżki dynamiczne, jakie pojawiają się w stanach nieustalonych pracy układu napędowego maszyny przemysłowej. Badania laboratoryjne [4-6] wykazały, że drgania te można skutecznie zmniejszyć do dopuszczalnego poziomu poprzez odpowiednie dostrojenie mechaniczne układu mechanicznego drgającego skrętnie przy pomocy odpowiedniego elementu podatnego, jaki zostanie zastosowany w sprzęgle mechanicznym podatnym skrętnie. Sztywność i tłumienie sprzęgieł mechanicznych podatnych skrętnie zależą głównie od twardości elastomeru, jaki zostanie zastosowany do budowy, jak i ilości objętościowej tego elastomeru w elemencie podatnym.

Piśmiennictwo
  1. Branowski B.: Wprowadzenie do projektowania. Wyd. PWN, Warszawa 1998.
  2. Homisin J.: Dostrajanie układów mechanicznych drgających skrętnie za pomocą sprzęgieł pneumatycznych. ATH, Bielsko-Biała 2008.
  3. Kowal A., Filipowicz K.: Metalowe sprzęgła podatne skrętnie. „Górnictwo i Geologia”, T.1, Z.2, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2006.
  4. Opasiak T.: Badania podstawowych parametrów sprzęgieł podatnych. „Advances in Science and Technology”, nr 12/2012, Lublin 2012.
  5. Opasiak Т., Peruń G.: Parametry charakteryzujące sprzęgła podatne skrętnie w układach napędowych maszyn przemysłowych, „Diagnostyka maszyn”, XLIV Ogólnopolskie sympozjum, Wisła 2017, s. 62.
  6. Opasiak Т.: Charakterystyki sprzęgieł podatnych pracujących w układach napędowych. Trwałość elementów i węzłów konstrukcyjnych maszyn górniczych. TEMAG 2016. XXIV Międzynarodowa konferencja naukowo-techniczna, Ustroń 2016, s. 193-204.
  7. Osiński Z.: Sprzęgła i hamulce. Wyd. PWN, Warszawa 1988.
  8. Skoś A., Spałek J., Markusik S.: Podstawy konstrukcji maszyn. Tom 2, WNT, 2008.
  9. Katalog firmy „Fena”, Fabryka Elementów Napędowych. Katowice 2018.
  10. www.stromag.com/products/couplings.
  11. www.flender.com/en/products/couplings.
  12. www.flender.com/en/Products/Couplings/c/Kupplungen.

 

 

Rys. 1. Uszkodzone sprzęgło mechaniczne podatne skrętnie w wyniku przeciążenia dynamicznego

 



Rys. 2. Przykłady kryteriów, jakie stawia się zespołom mechanicznym [1]

 



Rys. 3. Fragment karty katalogowej producenta sprzęgieł podatnych [9]

 



Rys. 4. Jednowkładkowe sprzęgło podatne typu ASR [9]

 



Rys. 5. Możliwości wyboru zastosowania sprzęgieł mechanicznych podatnych skrętnie w układzie napędowym maszyny przemysłowej [6]

 



Rys. 6a

 

 

Rys. b
Rys. 6. Tłumienie drgań skrętnych pochodzących od strony: a) jednostki napędowej, b) maszyny roboczej [12]

 



Rys. 7. Schemat pracy sprzęgła podatnego w układzie napędowym: 1 – człon czynny napędowy, 2 – człon bierny napędzany,
3 – element podatny, φ – względny kąt skręcenia członów sprzęgła, Mdyn – moment obrotowy sił dynamicznych, Mst – moment obrotowy w ruchu ustalonym

 



Rys. 8. Przebieg pętli histerezy pod wpływem zmiennego momentu obrotowego w układzie napędowym

 



Rys. 9. Wpływ objętości Q[cm3] łącznika podatnego na wielkość przenoszonego momentu obrotowego Mo[Nm] dla sprzęgieł podatnych skrętnie

 



Rys. 10. Wpływ objętości i twardości łącznika podatnego na wartość współczynnika sztywności cst[Nm/o] dla sprzęgieł podatnych skrętnie

 



Rys. 11. Wpływ twardości łączników elastomerowych na wartość współczynnika tłumienia sprzęgieł podatnych skrętnie
W związku z wejściem w dniu 25 maja 2018 roku nowych przepisów w zakresie ochrony danych osobowych (RODO), chcemy poinformować Cię o kilku ważnych kwestiach dotyczących bezpieczeństwa przetwarzania Twoich danych osobowych. Prosimy abyś zapoznał się z informacją na temat Administratora danych osobowych, celu i zakresu przetwarzania danych oraz poznał swoje uprawnienia. W tym celu przygotowaliśmy dla Ciebie szczegółową informację dotyczącą przetwarzania danych osobowych.
Wszelkie informacje znajdziesz tutaj.
Zachęcamy również do zapoznania się z naszą nową Polityką Prywatności.
W przypadku pytań zapraszamy do kontaktu z naszym Inspektorem Ochrony Danych Osobowych pod adresem iodo@elamed.pl

Zamknij